李征洲

（華北電力大學(xué)，北京昌平，102200）

故障電流限制器研究現(xiàn)狀分析

李征洲

（華北電力大學(xué)，北京昌平，102200）

故障電流限制器作為解決短路電流的超標(biāo)問(wèn)題的較為理想的工具，對(duì)其的研制也顯得尤為重要。論文敘述了關(guān)于電力系統(tǒng)短路故障的產(chǎn)生原因及其影響，并基于對(duì)短路電流過(guò)大的控制，歸納整理了不同類型故障電流限制器的基本原理，總結(jié)了不同故障電流限制器的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了國(guó)內(nèi)外目前的故障電流限制器的研究成果。論文對(duì)故障電流限制器在交直流系統(tǒng)中的基本原理以及不同點(diǎn)進(jìn)行了比較，并對(duì)故障電流限制器在直流系統(tǒng)中得不到廣泛應(yīng)用的原因進(jìn)行了分析，同時(shí)指出了故障電流限制器在未來(lái)的發(fā)展方向及進(jìn)一步要解決的問(wèn)題。

故障電流限制器;短路電流;超導(dǎo);固態(tài)開(kāi)關(guān)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，國(guó)民用電需求量不斷增加，電網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)大、互聯(lián)程度增加和大型電站的接入，電網(wǎng)故障電流水平已逐漸接近現(xiàn)有斷路器遮斷容量的上限。我國(guó)三大負(fù)荷中心京津唐、長(zhǎng)江三角洲、珠江三角洲負(fù)荷和負(fù)荷密度急速增加，三峽水力發(fā)電站的最大短路電流可能會(huì)高達(dá)300kA，短路電流水平急劇增加，且上升趨勢(shì)明顯，已經(jīng)影響到了安全運(yùn)行，一旦發(fā)生故障將造成難以挽回的后果。

一般可從調(diào)整電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、改變系統(tǒng)運(yùn)行方式和加裝限流設(shè)備三方面來(lái)考慮限制短路電流。其中故障電流限制器是是目前研究的重點(diǎn)，其技術(shù)的革新和發(fā)展趨勢(shì)也是迫切需要解決的問(wèn)題。

1 電力系統(tǒng)短路故障及其影響

電力系統(tǒng)發(fā)生短路，電流急劇增加，數(shù)值可達(dá)幾萬(wàn)安至幾十萬(wàn)安，同時(shí)系統(tǒng)電壓大幅度下降。例如，發(fā)電機(jī)出線端處三相短路時(shí)，電流最大瞬時(shí)值可能高達(dá)額定電流的10～15倍，絕對(duì)值達(dá)到幾十kA甚至上百kA；相對(duì)地短路時(shí)，短路點(diǎn)電壓降至零，短路點(diǎn)及其附近各點(diǎn)的電壓明顯降低。

2 故障電流限制器的應(yīng)用及技術(shù)要求

2.1 故障電流限制器在系統(tǒng)中的應(yīng)用

故障電流限制器幾種典型應(yīng)用是用于系統(tǒng)互聯(lián)或母線并聯(lián)，安裝在系統(tǒng)進(jìn)線處，以及安裝在系統(tǒng)出線處。

2.2 故障電流限制器的技術(shù)要求

故障電流限制器的技術(shù)要求通常包括以下幾點(diǎn)：

1）正常運(yùn)行時(shí)對(duì)系統(tǒng)無(wú)不利影響，且有功和無(wú)功損耗盡量小。

2）高速響應(yīng)，故障時(shí)能在1~2ms內(nèi)動(dòng)作，限制短路電流峰值及穩(wěn)態(tài)值到安全水平，能夠同時(shí)解決短路電流開(kāi)斷、設(shè)備熱穩(wěn)定和動(dòng)穩(wěn)定的問(wèn)題。有一些類型的故障電流限制器的響應(yīng)速度達(dá)不到限制最大短路電流峰值的要求，只能解決短路電流開(kāi)斷和設(shè)備熱穩(wěn)定問(wèn)題，不能解決設(shè)備動(dòng)穩(wěn)定問(wèn)題。

3） 動(dòng)作時(shí)不造成過(guò)電壓和過(guò)電流，諧波小。

4）故障切除后，迅速自動(dòng)復(fù)位，不影響電力系統(tǒng)重合閘。

5）不影響繼電保護(hù)的工作。

6）可靠性高，不發(fā)生誤動(dòng)，對(duì)正常過(guò)載電流不敏感。

7）可重復(fù)多次使用。

8）成本較低，能為電力部門接受。

3 國(guó)內(nèi)外故障電流限制器的研究現(xiàn)狀

3.1 超導(dǎo)故障電流限制器

發(fā)生故障時(shí),短路電流急劇上升超過(guò)臨界電流，超導(dǎo)體失超，電阻迅速增加，從而限制短路電流。切除后一段時(shí)間，超導(dǎo)體又從正常態(tài)恢復(fù)到超導(dǎo)態(tài)，這就是超導(dǎo)故障限流器的工作原理。

目前基于超導(dǎo)原理的故障電流限制器主要有以下4類：電阻型超導(dǎo)故障電流限制器、磁屏蔽型超導(dǎo)故障電流限制器、飽和鐵心型超導(dǎo)故障電流限制器和整流式超導(dǎo)故障電流限制器。

3.1.1 電阻型超導(dǎo)故障電流限制器

電阻型超導(dǎo)故障電流限制器由超導(dǎo)線圈和并聯(lián)電阻或電抗組成。當(dāng)超導(dǎo)體中電流密度或溫度超過(guò)臨界值，限流電阻或電抗快速插入回路。超導(dǎo)線圈浸于低溫冷卻介質(zhì)中，由引線串入線路，高壓開(kāi)關(guān)與限流器串聯(lián)，用以切斷限流電流或低于臨界電流的負(fù)荷電流。

電阻型超導(dǎo)故障電流限制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，反應(yīng)速度快。但系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，電流流過(guò)超導(dǎo)體，損耗較大；發(fā)生故障時(shí)，超導(dǎo)體需承受所有短路功率，因此超導(dǎo)材料特性需高度一致，避免形成熱點(diǎn)燒毀超導(dǎo)體。

圖 1 磁屏蔽型超導(dǎo)故障電流限制器Fig.1 Magnetic shield type superconducting fault current limiter

3.1.2 磁屏蔽型超導(dǎo)故障電流限制器

磁屏蔽型感應(yīng)型超導(dǎo)故障電流限制器等效原理圖如圖1所示。該型故障限流器外側(cè)即變壓器原邊為銅線圈，銅線圈與被保護(hù)電路相連，鐵心和銅線圈之間為超導(dǎo)圓筒，超導(dǎo)圓筒在制冷器內(nèi)。正常運(yùn)行時(shí)，超導(dǎo)筒內(nèi)的感應(yīng)電流小于它的臨界電流，處于超導(dǎo)態(tài)，屏蔽銅繞組產(chǎn)生的磁通，裝置的阻抗僅由一次繞組與二次繞組間的漏磁決定，阻抗很小。短路故障時(shí)，超導(dǎo)筒內(nèi)電流超過(guò)臨界電流值，超導(dǎo)體進(jìn)入正常態(tài)，一方面，磁通穿過(guò)鐵芯，引起銅繞組的感抗突然上升，另一方面，突然增大的超導(dǎo)筒電阻也折算到一次側(cè)，使得超導(dǎo)故障電流限制器的阻抗急驟上升，達(dá)到限制短路電流的目的。

3.1.3 飽和鐵心型超導(dǎo)故障電流限制器

飽和鐵芯電抗器型超導(dǎo)故障電流限制器由一對(duì)鐵芯電抗器組成，每個(gè)鐵芯上有一個(gè)交流銅繞組和一個(gè)直流超導(dǎo)繞組，由于交流電流的周期變化，任何時(shí)刻，其中一個(gè)鐵芯內(nèi)的直流磁場(chǎng)與交流磁場(chǎng)同向，而另一個(gè)相反。兩個(gè)交流繞組串接在輸電線路中。正常情況下，直流勵(lì)磁使鐵芯飽和，故障電流限制器呈現(xiàn)低阻抗。出現(xiàn)短路故障時(shí)，隨著交流電流幅值的增大，在一定相位區(qū)間，直流勵(lì)磁會(huì)被交流勵(lì)磁抵消，鐵芯不再飽和，故障電流限制器電抗增大而限流。采用兩組鐵芯是為了在正負(fù)半周分別限制短路電流。

3.1.4 整流式超導(dǎo)故障電流限制器

由4個(gè)二極管連成整流橋，其中兩個(gè)對(duì)角端連接超導(dǎo)線圈，正常穩(wěn)定工作時(shí)，超導(dǎo)線圈通過(guò)直流電流，無(wú)電感壓降。當(dāng)電流幅值出現(xiàn)變化時(shí)，超導(dǎo)線圈兩端出現(xiàn)電感壓降。當(dāng)出現(xiàn)短路故障時(shí)，超導(dǎo)線圈阻止電流增大，通過(guò)超導(dǎo)線圈的短路電流以較緩慢的速度增加，起到限流作用。

3.2 固態(tài)故障電流限制器

在早期,固態(tài)限流器的開(kāi)斷元件為晶閘管，由于晶閘管只有在電流過(guò)零時(shí)才能開(kāi)斷，它不能滿足必須能限制故障短路電流的第一個(gè)峰值的要求，從而限制了其應(yīng)用。近年來(lái)，隨著自關(guān)斷器件的出現(xiàn)，由于其可以準(zhǔn)確地控制開(kāi)斷時(shí)刻，并能解決故障電流的首次峰值限制問(wèn)題，給固態(tài)限流器的發(fā)展帶來(lái)了新的轉(zhuǎn)機(jī)。

3.3 諧振式故障電流限制器

諧振時(shí)故障電流限制器主要有并聯(lián)諧振故障電流限制器和串聯(lián)電流故障電流諧振器。我國(guó)在諧振型限流器的研究應(yīng)用上走在國(guó)際前列，09年12月世界上第一個(gè)500 kV電壓等級(jí)的諧振型限流器在杭州瓶窯變電站投入運(yùn)行。

諧振故障電流限制器原理圖如圖2所示，并聯(lián)諧振故障電流限制器，正常工作時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，發(fā)生故障時(shí)開(kāi)關(guān)迅速閉合，電容器和電感并聯(lián)諧振，阻抗極大，從而限制電流。串聯(lián)諧振故障電流限制器，正常工作時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電容器和電感器串聯(lián)諧振，等效阻抗為0，發(fā)生故障時(shí)開(kāi)關(guān)迅速閉合，電容器短路，阻抗變大以限制短路電流。

圖 2 串、并聯(lián)諧振故障電流限制器原理圖Fig.2 Series and parallel resonant fault current limiter

串聯(lián)諧振故障電流限制器相比并聯(lián)諧振故障電流限制器實(shí)現(xiàn)了自身的無(wú)功平衡，電容器承受的電壓較小，因此經(jīng)濟(jì)成本較為合理，同時(shí)串聯(lián)諧振故障電流限制器即使自身出現(xiàn)故障，只要保證電容器短路，電抗器正常工作就不會(huì)引發(fā)大規(guī)模故障，安全性更高。串聯(lián)諧振故障電流限制器是目前唯一用于超高壓電網(wǎng)的限流器，其關(guān)鍵在于旁通電路替代型式的研究。

4 故障電流限制器在直流系統(tǒng)中的發(fā)展

4.1 故障電流限制器在直流系統(tǒng)中發(fā)展緩慢的原因

高壓直流的發(fā)展同樣需要抑制直流故障短路電流，但故障電流限制器在直流系統(tǒng)中的相關(guān)應(yīng)用極少，已有的設(shè)計(jì)主要是針對(duì)低壓直流配網(wǎng)。主要的原因在于目前相關(guān)的大規(guī)模高壓直流輸電網(wǎng)絡(luò)尚未建成，大量的直流工程都是背靠背的交流電網(wǎng)互聯(lián)工程，主要是采用電纜輸電，使得發(fā)生嚴(yán)重短路故障的概率極低，而且事故發(fā)生后換流器依靠自身閥臂開(kāi)關(guān)的動(dòng)作就可以切斷故障電路，限制短路電流，從而造成了對(duì)適用于高壓直流系統(tǒng)的故障電流限流器的需求較小。另一方面，故障電流限流器一般是和線路斷路器配合使用的，而目前適合于高壓直流系統(tǒng)的直流斷路器開(kāi)發(fā)研制遇到了難以突破的技術(shù)瓶頸。

4.2 故障電流限制器在交直流系統(tǒng)中的比較

對(duì)于直流系統(tǒng)中的故障電流限流器而言，其基本的原理和交流系統(tǒng)中的故障限流器是完全相同的，都是由故障檢測(cè)模塊，限流元件模塊，裝置動(dòng)作模塊等構(gòu)成，所不同的是對(duì)于直流系統(tǒng)而言其短路故障有著不同與交流的故障特性：國(guó)內(nèi)外研究的故障電流限制器大部分基于交流系統(tǒng)的過(guò)零或者工頻諧振特性，不適用于直流系統(tǒng)，而直流系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)沒(méi)有過(guò)零的條件，因此，分?jǐn)嘀绷饕冉涣鞲щy。對(duì)于交流輸電系統(tǒng)，采用電阻型電流限制器不如用電抗型電流限制器經(jīng)濟(jì)，因?yàn)榍罢呱婕按罅康挠泄p耗和發(fā)熱問(wèn)題，但對(duì)于直流系統(tǒng)而言則電阻限流是唯一可用的方法。在實(shí)際應(yīng)用中，需要結(jié)合具體系統(tǒng)特點(diǎn)選擇合理的限流方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述分析可以看出：

1）隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，國(guó)力不斷提高，對(duì)電力的需求也不斷增加，電網(wǎng)中某些斷路器的容量已經(jīng)無(wú)法滿足短路電流水平的要求，如果只靠改變電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在未來(lái)將無(wú)法解決短路電流問(wèn)題。故障電流限制器的出現(xiàn)給這一問(wèn)題帶了新的方向。

2）目前，在超導(dǎo)故障電流限制器、固態(tài)電容限制器等方面的研究都已經(jīng)取得了一定的成果。但是由于造價(jià)高，占地面積大，穩(wěn)定性不高等因素制約了其在市場(chǎng)大規(guī)模的應(yīng)用，技術(shù)方面也還有待提高。

3）雖然故障電流限制器已經(jīng)提出很長(zhǎng)一段時(shí)間，但至今沒(méi)有在電力系統(tǒng)中得到大規(guī)模的實(shí)際應(yīng)用，尤其在直流系統(tǒng)中的應(yīng)用更是少有，隨著技術(shù)的不斷革新，電力系統(tǒng)的需求量不斷增加，故障電流限制器需要多方面的擴(kuò)展它的應(yīng)用范圍，以面對(duì)未來(lái)更具挑戰(zhàn)的問(wèn)題。

[1] 阮前途．上海電網(wǎng)短路電流控制的現(xiàn)狀與對(duì)策[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(2)：78-83．

[2] 陳鍇.限制電網(wǎng)短路電流的措施及新型短路限流器的研究[D]：華北電力大學(xué), 2014.

[3] Power A J，Avenue K.An Overview of Transmission Fault Current Limiters[A].in:IEE Fault Current Limiters-a Look at Tomorrow[C].London：1995：1-5.

[4] 葉林，林良真.超導(dǎo)故障限流器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000，20(7)： 1-5.

李征洲、女、研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析。

Research status of Fault Current Limiters

Li Zhengzhou
（North China Electric Power University, Changping District,Beijing，102200）

A fault current limiter as an ideal tool to solve the problem of excessive short-circuit current, and its development is also very important.Paper describes the causes of short-circuit fault on the power system and its impact,based on the short-circuit current is too large to control,collate and analyze the basic principles of different types of fault current limiter,summed up the advantages and disadvantages of different fault current limiter,analysis the current research achievements at home and abroad fault current limiters.Thesis fault current limiter basic principles and the different points of AC and DC systems are compared,and fault current limiters are not widely used in DC analysis of the causes,noting that the fault current limiter future direction and further problems to be solved.

fault current limiter;short circuit current;superconductivity;solid state switch